DE102016205187A1 - Integrated circuit cooling using embedded Peltier microvias in a substrate - Google Patents
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Abstract
Eine Packung von Halbleitereinheiten und ein Verfahren zum Fertigen derselben beinhalten ein Halbleitersubstrat, das eine Mehrzahl von eingebetteten Thermoelementen beinhaltet. Die eingebetteten Thermoelemente können sich in Gräben befinden und sich von der Handhabungsseite des Substrats teilweise in das Substrat erstrecken. Ein n-Stab und ein p-Stab sind mithilfe einer leitfähigen Kontaktplatte so elektrisch verbunden, dass sie jeweils die teilweise eingebetteten Thermoelemente ausbilden. Eine Reihenschaltungsschicht verbindet die Mehrzahl von Thermoelementen auf der Handhabungsseite elektrisch. Eine Stromquelle versorgt die Reihenschaltungsschicht mit elektrischem Strom und ermöglicht, dass Strom durch die Mehrzahl der in Reihe geschalteten Thermoelemente fließt. Ein Kühlkörper ist zum Abführen von Wärme von der Einheitenseite zu dem Kühlkörper mithilfe der Thermoelemente angrenzend an die verbundenen Thermoelemente positioniert.A package of semiconductor devices and a method of manufacturing the same include a semiconductor substrate including a plurality of embedded thermocouples. The embedded thermocouples may be located in trenches and extend partially into the substrate from the handling side of the substrate. An n-bar and a p-bar are electrically connected by means of a conductive contact plate so that they each form the partially embedded thermocouples. A series circuit layer electrically connects the plurality of thermocouples on the handling side. A power source supplies electrical power to the series circuit layer and allows current to flow through the plurality of series-connected thermocouples. A heat sink is positioned adjacent the connected thermocouples for dissipating heat from the device side to the heat sink by means of the thermocouples.
Description
HINTERGRUNDBACKGROUND
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Halbleiterstruktur und auf ein Verfahren zur Halbleiterfertigung. Integrierte Schaltungen (integrated circuits, IC(s)) können Wärme in einer Halbleiterpackung erzeugen. Wärme innerhalb der Halbleiterpackung kann unerwünschte Folgen in der Halbleiterpackung haben, zum Beispiel schädliche Auswirkungen auf die Funktionsfähigkeit von Einheiten innerhalb der IC und einen Ausfall von Komponenten. Zu Kühlungstechniken für die IC können ein Kühlkörper oder sonstige Kühlmechanismen zählen, die Strom von der IC und der Halbleiterpackung erfordern. Dreidimensionale integrierte Schaltungen sind besonders anfällig für eine unerwünschte Wärmeentwicklung innerhalb der Einheit oder der Packung.The present disclosure relates to a semiconductor structure and a method for semiconductor fabrication. Integrated circuits (ICs) can generate heat in a semiconductor package. Heat within the semiconductor package may have undesirable consequences in the semiconductor package, for example detrimental effects on the health of devices within the IC and failure of components. Cooling techniques for the IC may include a heat sink or other cooling mechanisms that require power from the IC and the semiconductor package. Three-dimensional integrated circuits are particularly prone to unwanted heat buildup within the unit or package.
KURZDARSTELLUNGSUMMARY
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beinhaltet eine Packung von Halbleitereinheiten eine Mehrzahl von Thermoelementen, die in ein Halbleitersubstrat eingebettet sind. Die Thermoelemente beinhalten jeweils Thermostäbe, die einander gegenüber in jeweils einem einer Mehrzahl von Gräben in dem Substrat positioniert sind. Jeder der Gräben definiert eine Öffnung auf einer Handhabungsseite des Substrats, die einer Einheitenseite des Substrats gegenüberliegt. Die Stäbe erstrecken sich teilweise von der Handhabungsseite des Substrats in das Substrat, und bei den gegenüberliegenden Stäben handelt es sich um n- bzw. um p-Materialien. Eine wärmeleitfähige Isolationsschicht befindet sich entlang eines Umfangs der Gräben und entlang äußerer Seiten der Stäbe. Eine leitfähige Platte verbindet die n- und p-Stäbe elektrisch. Eine Reihenschaltungsschicht verbindet die Mehrzahl von Thermoelementen auf der Handhabungsseite des Substrats elektrisch so, dass sie über die Reihenschaltungsschicht mit einer Spannung versorgt werden. Ein Kühlkörper ist zum Abführen von Wärme von der Einheitenseite des Substrats zu dem Kühlkörper mithilfe der Thermoelemente angrenzend an die Thermoelemente positioniert.According to one embodiment of the invention, a package of semiconductor devices includes a plurality of thermocouples embedded in a semiconductor substrate. The thermocouples each include thermo bars positioned opposite each other in each one of a plurality of trenches in the substrate. Each of the trenches defines an opening on a handling side of the substrate opposite a unit side of the substrate. The rods extend partially from the handling side of the substrate into the substrate, and the opposing rods are n- or p-type materials, respectively. A thermally conductive insulating layer is located along a perimeter of the trenches and along outer sides of the bars. A conductive plate electrically connects the n and p rods. A series circuit layer electrically connects the plurality of thermocouples on the handling side of the substrate so as to be supplied with voltage through the series circuit layer. A heat sink is positioned adjacent the thermocouples for dissipating heat from the device side of the substrate to the heat sink by means of the thermocouples.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Fertigen eines Halbleitersubstrats ein Ausbilden von Gräben, die sich teilweise von einer Handhabungsseite eines Substrats, die einer Einheitenseite des Substrats gegenüberliegt, in das Substrat erstrecken. Die Gräben definieren eine Öffnung auf der Handhabungsseite des Substrats für jeden der Gräben. Eine wärmeleitfähige Isolationsschicht wird entlang eines Umfangs der Gräben abgeschieden und wird entlang äußerer Seiten der Stäbe positioniert. N-Stäbe und p-Stäbe werden einander gegenüberliegend und auf gegenüberliegenden Seiten jedes der Gräben so ausgebildet, dass sie Thermoelemente ausbilden. Eine leitfähige Platte wird zum elektrischen Verbinden der n- und p-Stäbe ausgebildet. Eine Reihenschaltungsschicht wird ausgebildet, die die Mehrzahl von Thermoelementen elektrisch so verbindet, dass sie über die Reihenschaltungsschicht mit einer Spannung versorgt werden. Ein Kühlkörper wird zum Abführen von Wärme von der Einheitenseite des Substrats zu dem Kühlkörper mithilfe der Thermoelemente angrenzend an die Thermoelemente positioniert.According to another embodiment of the invention, a method of fabricating a semiconductor substrate includes forming trenches that extend partially into the substrate from a handling side of a substrate facing a unit side of the substrate. The trenches define an opening on the handling side of the substrate for each of the trenches. A thermally conductive insulating layer is deposited along a perimeter of the trenches and positioned along outer sides of the bars. N-bars and P-bars are formed opposite to each other and on opposite sides of each of the trenches so as to form thermocouples. A conductive plate is formed for electrically connecting the n and p rods. A series circuit layer is formed, which electrically connects the plurality of thermocouples so as to be supplied with voltage through the series circuit layer. A heat sink is positioned adjacent to the thermocouples to dissipate heat from the device side of the substrate to the heat sink by means of the thermocouples.
KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE SEVERAL VIEWS OF THE DRAWINGS
Diese und sonstige Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung veranschaulichender Ausführungsformen davon ersichtlich, die in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist. Die verschiedenen Merkmale der Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu, da die Veranschaulichungen der Verdeutlichung dienen und dem Fachmann zusammen mit der ausführlichen Beschreibung das Verständnis der Erfindung erleichtern sollen. In den Zeichnungen:These and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of illustrative embodiments thereof, taken in conjunction with the accompanying drawings. The various features of the drawings are not to scale as the illustrations are illustrative and are intended to assist one of ordinary skill in the art, as well as the detailed description, in understanding the invention. In the drawings:
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
Unter Bezugnahme auf
Die in
Die Mehrzahl der Gräben kann mithilfe eines Leitungsweges, der Reihenschaltungsschicht
Die Einheitenschicht
Unter Bezugnahme auf
Ein Material eines n-Thermostabs
Unter Bezugnahme auf
Unter Bezugnahme auf
Unter Bezugnahme auf
Unter Bezugnahme auf
Unter Bezugnahme auf
Unter Bezugnahme auf
Unter Bezugnahme auf
Die Spannung, die an die freien Enden zweier unterschiedlicher leitfähiger Materialien angelegt wird, führt zu einem Stromfluss nacheinander durch eine Reihe von Thermoelementen und zwei Halbleiter. Der Strom fließt durch die elektrische Reihenschaltung auf der Handhabungsseite (oder der Rückseite) des Substrats durch den n-Thermostab zu der leitfähigen Platte, zu dem p-Thermostab und anschließend zu dem Kühlkörper. Da die Thermoelemente in Reihe geschaltet (oder verkettet) sind, fließt der Strom durch sämtliche Thermoelemente, die in Reihe geschaltet sind. Eine Peltier-Kühlung bewirkt, dass Wärme aus der Umgebung der leitfähigen Kühlplatte aufgenommen wird und dass die aufgenommene Wärme an das andere Ende des Substrats, d.h. zu dem Kühlkörper, transportiert wird. Wenn Strom durch die Einheit (das Substrat, wie es in den Figuren dargestellt wird) gezwungen wird, nehmen die Elektronen an einem Ende Energie auf, wohingegen diejenigen an dem anderen Ende Energie abgeben. Daher wird bei einem ununterbrochenen Stromfluss Wärme fortwährend an einem Ende aufgenommen und an einem weiteren Ende abgegeben.The voltage applied to the free ends of two different conductive materials results in a flow of current sequentially through a series of thermocouples and two semiconductors. The current flows through the electrical series circuit on the handling side (or back) of the substrate through the n-type thermo-bar to the conductive plate, to the p-type thermo-bar, and then to the heat sink. Because the thermocouples are connected in series (or chained), the current flows through all the thermocouples connected in series. Peltier cooling causes heat to be absorbed from the environment of the conductive cooling plate and the heat absorbed to the other end of the substrate, i. to the heat sink, is transported. When current is forced through the unit (the substrate as shown in the figures), the electrons pick up energy at one end, while those at the other end release energy. Therefore, in an uninterrupted flow of current, heat is continuously received at one end and released at another end.
Unter Bezugnahme auf
Unter Bezugnahme auf
Ein Kühlkörper
Im Allgemeinen beinhalten gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine Packung von Halbleitereinheiten und ein Verfahren zum Fertigen derselben eingebettete Thermoelemente in einem Halbleitersubstrat. Die Thermoelemente können Gräben beinhalten, die sich teilweise in das Substrat erstrecken, wobei sich die n- und p-Stäbe in die Gräben erstrecken. Eine wärmeleitfähige Isolationsschicht kann in den Gräben abgeschieden sein. Die Isolationsauskleidung kann aus einem Material bestehen, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, jedoch elektrisch isolierend ist. Die n- und p-Thermostäbe sind mithilfe einer Kontaktplatte oder einer leitfähigen Platte so elektrisch verbunden, dass sie jeweils die teilweise eingebetteten Thermoelemente ausbilden. Eine Reihenschaltungsschicht verbindet die Mehrzahl von Thermoelementen auf der Handhabungsseite des Substrats elektrisch. Eine Stromquelle versorgt die Reihenschaltungsschicht mit elektrischem Strom und liefert Strom, der durch die Mehrzahl der in Reihe geschalteten Thermoelemente fließt. Ein Kühlkörper ist angrenzend an die verbundenen Thermoelemente positioniert und führt Wärme von der Einheitenseite des Substrats ab.In general, in accordance with embodiments of the present disclosure, a package of semiconductor devices and a method of manufacturing the same include embedded thermocouples in a semiconductor substrate. The thermocouples may include trenches that extend partially into the substrate, with the n and p rods extending into the trenches. A thermally conductive insulating layer may be deposited in the trenches. The insulation lining may be made of a material which has a high thermal conductivity but is electrically insulating. The n and p thermocouples are electrically connected by means of a contact plate or a conductive plate so that they each form the partially embedded thermocouples. A series circuit layer electrically connects the plurality of thermocouples on the handling side of the substrate. A current source supplies electrical power to the series circuit layer and supplies current flowing through the plurality of series-connected thermocouples. A heat sink is positioned adjacent the bonded thermocouples and dissipates heat from the device side of the substrate.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung erfordern keine beweglichen Komponenten oder Kühlvorrichtungen wie zum Beispiel eine Flüssigkeitspumpe, die zum Kühlen von dreidimensionalen ICs verwendet werden kann. Die Gräben erhöhen den Oberflächenkontakt mit dem Substrat so, dass eine Wärmeübertragung zu der Kühlkörpereinheit erhöht wird, sodass eine Kühlung der IC-Packung verstärkt wird. Die Thermostäbe nehmen den Bereich des Substrats für die Einheitenebenen-(oder Einheitenschicht-)Seite des Substrats nicht in Anspruch und ermöglichen auf diese Weise die effizienteste Verwendung der Einheitenebene.The embodiments of the present disclosure do not require moving components or cooling devices, such as a liquid pump, that can be used to cool three-dimensional ICs. The trenches increase the surface contact with the substrate so that heat transfer to the heat sink unit is increased, so that cooling of the IC package is enhanced. The thermo-bars do not occupy the area of the substrate for the unit-level (or device-layer) side of the substrate, thus allowing the most efficient use of the unit level.
Die Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erfolgten zur Veranschaulichung, sind jedoch nicht erschöpfend oder auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt gemeint. Viele Modifizierungen und Varianten sind für Fachleute ersichtlich, ohne vom Umfang und Gedanken der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Die hierin verwendete Terminologie wurde gewählt, um die Grundgedanken der Ausführungsformen, die praktische Anwendung oder die technische Verbesserung gegenüber auf dem Markt erhältlichen Technologien am besten zu erläutern oder um anderen Fachleuten zu ermöglichen, die hierin offenbarten Ausführungsformen zu verstehen.The descriptions of the various embodiments of the present invention have been presented by way of illustration, but are not intended to be exhaustive or limited to the disclosed embodiments. Many modifications and variations will be apparent to those skilled in the art without departing from the scope and spirit of the described embodiments. The terminology used herein has been chosen to best explain the principles of the embodiments, the practical application or technical improvement over the technologies available on the market, or to enable others skilled in the art to understand the embodiments disclosed herein.
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